CN106788669A - 一种小型化Ka频段单通道调制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型化Ka频段单通道调制器，包括第一波导微带转换模块、第二波导微带转换模块、Ka频段0/π调制器、Ka频段微带合路器和铝制壳体，第一波导微带转换模块、第二波导微带转换模块、Ka频段0/π调制器和Ka频段微带合路器封装在铝制壳体中。第一波导微带转换模块和第二波导微带转换模块分别将天线传来的Ka频段差信号、和信号由矩形波导的TE₁₀模转换为微带线的准TEM模，Ka频段0/π调制器实现差信号的相位调制，Ka频段微带合路器完成Ka频段和、差两路信号的合并。本发明实现了与波导馈线无缝连接，改善了端口的驻波特性，实现了小型化、轻量化，便于实现批量化生产。

Description

一种小型化Ka频段单通道调制器

技术领域

本发明涉及一种小型化Ka频段单通道调制器，广泛应用于Ka频段单通道单脉冲跟踪系统中。

背景技术

单通道调制器是单通道单脉冲跟踪系统的重要部件，其主要功能是用低频信号对天线传来的差信号进行相位调制，再与和信号进行合成，形成包含有天线指向误差信息的单通道调幅信号。该信号经过下变频后，在跟踪接收机中只需要进行包络检波，即可得到与天线指向相关的误差电压。

以前的单通道调制器采用耦合器实现和、差信号的合成，多了一个无用的隔离端口，使用时隔离端口通常需要外接50Ω匹配负载，这样在实际使用中增加了器件，也增加了尺寸和重量；以前的单通道调制器输入、输出端口采用O-Ribbon同轴微带转接形式，端口驻波差，同时无法与波导馈线直接连接，需要额外增加波导同轴转换器；以前的单通道调制器需要键合金带进行指标调试，调试工作量大，指标一致性差，不适合批量化生产。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种小型化Ka频段单通道调制器，实现了与波导馈线无缝连接，改善了端口的驻波特性，实现了小型化、轻量化，便于实现批量化生产。

本发明的技术方案为：一种小型化Ka频段单通道调制器，包括第一波导微带转换模块、第二波导微带转换模块、Ka频段0/π调制器、Ka频段微带合路器和铝制壳体，所述第一波导微带转换模块、第二波导微带转换模块、Ka频段0/π调制器和Ka频段微带合路器封装在铝制壳体中；

第一波导微带转换模块：将天线传来的Ka频段差信号由矩形波导的TE₁₀模转换为微带线的准TEM模，并输出给Ka频段0/π调制器；

第二波导微带转换模块：将天线传来的Ka频段和信号由矩形波导的TE₁₀模转换为微带线的准TEM模，输出给Ka频段微带合路器；

Ka频段0/π调制器：将Ka频段差信号在两段电长度相差180°的微带线上交替传输，实现差信号的相位调制，并将调制后的Ka频段差信号输出给Ka频段微带合路器；

Ka频段微带合路器：完成Ka频段和、差两路信号的合并，实现Ka频段和、差信号的单通道传输。

所述Ka频段0/π调制器包括0°微带传输线、180°微带传输线、单刀双掷开关芯片S1、单刀双掷开关芯片S2、电容C1、电容C6、第一偏置电路、第二偏置电路、第一调制控制电路以及第二调制控制电路；

单刀双掷开关芯片S1的动端通过电容C1与第一波导微带转换模块输出的Ka频段差信号连接，单刀双掷开关芯片S1的一个不动端通过0°微带传输线与单刀双掷开关芯片S2的一个不动端连接，单刀双掷开关芯片S1的另一个不动端通过180°微带传输线与单刀双掷开关芯片S2的另一个不动端连接；单刀双掷开关芯片S2的动端与电容C6的一端连接，电容C6的另一端用于输出相位调整后的Ka频段差信号；

单刀双掷开关芯片S1的动端连接有第一偏置电路，单刀双掷开关芯片S2的动端连接有第二偏置电路，180°微带传输线通过第一调制控制电路与外部电源Vcc连接，0°微带传输线通过第二调制控制电路与外部电源Vee连接，Vcc和Vee为等幅反向的方波信号；

所述第一偏置电路包括电阻R1、电容C2和电感L1，电感L1的一端与单刀双掷开关芯片S1的动端连接，电感L1的另一端同时与电阻R1的一端以及电容C2的一端连接，电阻R1的另一端以及电容C2的另一端均接地；

第二偏置电路包括电阻R4、电容C5以及电感L4，电感L4的一端与单刀双掷开关芯片S2的动端连接，电感L4的另一端同时与电阻R4的一端以及电容C5的一端连接，电阻R4的另一端以及电容C5的另一端均接地；

第一调制控制电路包括电阻R3、电容C4以及电感L3，电感L3的一端与180°微带传输线连接，电感L3的另一端同时与电容C4的一端以及电阻R3的一端连接，电容C4的另一端接地，电阻R3的另一端连接外部电源Vcc；

第二调制控制电路包括电容C3、电阻R2以及电感L2，电感L2的一端与0°微带传输线连接，电感L2的另一端同时与电容C3的一端以及电阻R2的一端连接，电容C3的另一端接地，电阻R2的另一端连接外部电源Vee。

所述第一波导微带转换模块和第二波导微带转换模块结构相同，均包括金属壳体、金属圆柱体、玻珠以及微带线；金属壳体内部形成波导腔体，顶部开有通孔，玻珠由铜针、套在铜针外围的玻璃介质以及套在玻璃介质外围的导体组成，所述铜针、玻璃介质以及导体同轴，玻璃介质和导体的高度与金属壳体的顶部通孔深度相同；

玻珠铜针一端焊接有一个金属圆柱体，玻珠穿过金属壳体顶部通孔，所述金属圆柱体插入波导腔体宽边中心位置，玻璃介质和导体位于金属壳体中，且玻珠的导体和金属壳体焊接连接；微带线位于金属壳体外壁上，玻珠铜针另一端穿过微带线，且与微带线焊接连接。

所述Ka频段微带合路器中分支线的长度L＝λ_g/4，λ_g为与Ka频段和信号或差信号频率相对应的导波波长；分支线宽度W的计算公式如下：

其中h为分支线介质基板的厚度；ε_r为分支线介质基板的相对介电常数；Z_f为自由空间波阻抗；Z₁为分支线的特征阻抗，μ₀为自由空间的磁导率，ε₀为自由空间的介电常数。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明小型化Ka频段单通道调制器通过引入波导微带转换模块，实现了与波导馈线无缝连接，而不需要额外增加波导同轴转换器，同时不再需要同轴微带转接，改善了端口的驻波特性。

(2)本发明小型化Ka频段单通道调制器通过引入Ka频段微带合路器替代耦合器来实现和、差信号的合成，从而减少了一个隔离端口；同时采用一体化集成设计、结构立体化布局、壳体采用轻质的铝材使得产品实现了小型化、轻量化。

(3)本发明小型化Ka频段单通道调制器通过在Ka频段0/π调制器输入、输出端口以及移相微带路径上引入并联短截线进行调节，使得调制幅度、相位误差以及电路插损达到最优化，从而实现高载波抑制和高调制抑制。

(4)本发明小型化Ka频段单通道调制器由于各个组成器件级联优化设计，使得产品调试工作量小，指标一致性良好，便于实现批量化生产。

附图说明

图1为本发明小型化Ka频段单通道调制器组成框图；

图2为本发明波导微带转换模块示意图；

图3为本发明波导微带转换模型及其仿真结果，其中(a)为波导微带转换模型，(b)为仿真结果；

图4为本发明Ka频段0/π调制器电路图；

图5为本发明Ka频段微带合路器原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

本发明小型化Ka频段单通道调制器采用MIC微组装工艺实现，如图1所示，包括第一波导微带转换模块、第二波导微带转换模块、Ka频段0/π调制器、Ka频段微带合路器和铝制壳体。第一波导微带转换模块、第二波导微带转换模块、Ka频段0/π调制器和Ka频段微带合路器采用一体化设计方法集成在基板上，基板的参数可以选择厚度为0.254mm，相对介电常数ε_r为2.2的Rogers5880基板。基板封装在铝制壳体中。

天线传来的Ka频段和、差信号输入端口形式为BJ260波导口，第一波导微带转换模块将天线传来的Ka频段差信号由矩形波导的TE₁₀模转换为微带线的准TEM模，并输出给Ka频段0/π调制器输入端口，第二波导微带转换模块将天线传来的Ka频段和信号由矩形波导的TE₁₀模转换为微带线的准TEM模，输出给Ka频段微带合路器的一个输入端口。

第一波导微带转换模块和第二波导微带转换模块起到电磁波模式变换的作用，均采用同轴探针宽边耦合的形式。如图2所示，第一波导微带转换模块和第二波导微带转换模块均包括金属壳体1、金属圆柱体2、玻珠3以及微带线4，微带线4可以采用线宽为0.76mm的标准50Ω微带线。金属壳体1内部形成波导腔体，顶部开有通孔，玻珠3由铜针、套在铜针外围的玻璃介质以及套在玻璃介质外围的导体组成，玻璃介质和导体的高度与金属壳体1的顶部通孔深度相同。

玻珠3铜针一端焊接有一个金属圆柱体2，玻珠3穿过金属壳体1顶部通孔，金属圆柱体2插入波导腔体宽边中心位置，玻璃介质和导体位于金属壳体1中，且玻珠3的导体和金属壳体1焊接连接，微带线4位于金属壳体1外壁上，玻珠3铜针另一端穿过微带线4，且与微带线4焊接连接，实现波导-微带的气密转换过渡。

金属壳体1内部的波导腔体、玻珠3玻璃介质上端面以下部分以及金属圆柱体2构成了波导同轴过渡结构；玻珠3玻璃介质下端面以上部分以及微带线构成了同轴微带过渡结构；玻璃介质、被玻璃介质包裹的铜针以及套在玻璃介质外围的导体构成了同轴线。波导同轴过渡结构将传输线从波导转换成同轴线，再通过同轴微带过渡结构完成和、差信号电磁波模式变换。波导同轴过渡结构采用了同轴探针型过渡结构，铜针插入波导腔体的部分以及金属圆柱体2构成同轴探针，本发明通过铜针一端焊接有一个金属圆柱体加大了探针在波导腔内的尺寸，减弱了波导的高阻特性，以减小阻抗对频率变化的敏感性，从而展宽了过渡结构的频带宽。同轴微带过渡结构是将同轴探针从微带底面穿入直到微带线正面传输线。为了减小过渡结构的插损，必须避免同轴线中出现高次模，使同轴线中只有TEM模传输。通过建模仿真优化，确定同轴探针的最佳位置为：同轴探针中心距波导腔体短路面的距离为2.5mm。波导微带转换模型及其仿真结果如图3所示。其中(a)为波导微带转换模型，(b)为仿真结果，其中m1、m2、m3为插损曲线，m4、m5、m6为驻波系数曲线，由图3可知该波导微带转换模块的驻波特性良好，插入损耗小。

Ka频段0/π调制器将Ka频段差信号在两段电长度相差180°的微带线上交替传输，实现差信号的相位调制，并将调制后的Ka频段差信号输出给Ka频段微带合路器的另一个输入端口。

Ka频段0/π调制器的基准态与移相态为微带传输线。基准态与移相态的微带线设计是较为复杂的，首先，根据模块尺寸要求设计出电路的基本拓扑结构；然后使用高频仿真软件HFSS优化仿真得出合理的拓扑元件参数值，使其电性能能够容许生产产品不一致性和环境温度变化所造成的电路参数变化。选用两个微波裸芯片单刀双掷开关与基准态、移相态的微带线金丝键合，低频调制信号施加到“Vcc”和“Vee”端，实现0/π调制。

如图4所示，Ka频段0/π调制器具体电路包括0°微带传输线(基准态微带线)、180°微带传输线(移相态微带线)、单刀双掷开关芯片S1、单刀双掷开关芯片S2、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电感L1、电感L2、电感L3和电感L4。L1、L2、L3和L4均为金属绕线电感。

单刀双掷开关芯片S1的动端同时与电感L1的一端以及电容C1的一端连接，电容C1的另一端与第一波导微带转换模块输出的Ka频段差信号连接，电感L1的另一端同时与电阻R1的一端以及电容C2的一端连接，电阻R1的另一端以及电容C2的另一端均接地；单刀双掷开关芯片S1的一个不动端通过0°微带传输线与单刀双掷开关芯片S2的一个不动端连接，单刀双掷开关芯片S1的另一个不动端通过180°微带传输线与单刀双掷开关芯片S2的另一个不动端连接；单刀双掷开关芯片S2的动端同时与电感L4的一端以及电容C6的一端连接，电容C6的另一端用于输出相位调整后的Ka频段差信号，电感L4的另一端同时与电阻R4的一端以及电容C5的一端连接，电阻R4的另一端以及电容C5的另一端均接地；0°微带传输线与电感L2的一端连接，电感L2的另一端同时与电容C3的一端以及电阻R2的一端连接，电容C3的另一端接地，电阻R2的另一端连接低频调制信号Vee；180°微带传输线与电感L3的一端连接，电感L3的另一端同时与电容C4的一端以及电阻R3的一端连接，电容C4的另一端接地，电阻R3的另一端连接低频调制信号Vcc。Vcc和Vee为等幅反向的方波电压信号，为±3.5V，电流约为10mA。S1和S2切换频率由低频调制信号频率决定。

0/π调制器正常工作时，Vcc为负，Vee为正时，开关S1、S2选通上支路，信号从180°微带传输线通过；反之，Vcc为正，Vee为负时，开关S1、S2选通下支路，信号从0°微带传输线通过。两路信号产生调制相位差，达到0/π二相调制。单刀双掷开关选用微波裸芯片，它在Ka频段的插损为0.7dB，隔离度大于40dB。绕线电感的参数可调，当电感线圈间距变小时，电感量变大，电感自谐振频率会降低，调制器插损变小；当自谐振频率降低到接近电路工作频率时，调制器插损将严重恶化。通过在开关芯片S1输入端口、开关芯片S2输出端口以及0°、180°微带传输线上引入并联短截线进行调节，使得调制幅度、相位误差以及电路插损达到最优化，从而使得差信号载波抑制优于30dBc，和信号调制抑制优于55dBc。

Ka频段微带合路器完成Ka频段和、差两路信号的合并，实现Ka频段和、差信号的单通道传输。

Ka频段微带合路器采用经典的威尔金森合路器形式，如图5所示，P1、P2分别为两个输入端口，P0为输出端口。Z0为输入输出端口微带线的特征阻抗，为50Ω；Z1为输入输出端口间分支线的特征阻抗，分支线的长度L＝λ_g/4，λ_g为与Ka频段和信号或差信号频率相对应的导波波长。分支线宽度W的计算公式如公式(1)所示。R为隔离电阻，R＝2*Z0，用于提高和、差通道隔离度。

其中h为分支线介质基板的厚度；ε_r为分支线介质基板的相对介电常数；Z_f为自由空间波阻抗；Z1为分支线的特征阻抗，为70.7Ω。μ₀为自由空间的磁导率，ε₀为自由空间的介电常数。

本发明设计的波导微带转换模块具有工作频带宽、插损小、驻波好、结构简单易于加工装配、指标一致性好且气密性良好，可以对微带电路里的芯片起到良好的保护作用。波导微带转换插入损耗小，驻波系数好，同时方便机械加工及装配。本发明可以通过第一波导微带转换模块、第二波导微带转换模块、Ka频段0/π调制器、Ka频段微带合路器的一体化集成设计、立体化布局以及采用轻质铝制壳体使得产品实现小型化、轻量化。通过引入Ka频段微带合路器替代耦合器来实现和、差信号的合成，从而减少了一个隔离端口，不再需要外接50Ω匹配负载，进一步减小了尺寸和重量。同时，由于各个组成器件级联优化设计，使得产品调试工作量小，指标一致性良好，便于实现批量化生产。

本发明小型化Ka频段单通道调制器，具有高载波抑制、高调制抑制、良好的端口驻波比、体积小、重量轻、适应批量化生产等特点，广泛应用于Ka频段单通道单脉冲跟踪系统中。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种小型化Ka频段单通道调制器，其特征在于：包括第一波导微带转换模块、第二波导微带转换模块、Ka频段0/π调制器、Ka频段微带合路器和铝制壳体，所述第一波导微带转换模块、第二波导微带转换模块、Ka频段0/π调制器和Ka频段微带合路器封装在铝制壳体中；

第一波导微带转换模块：将天线传来的Ka频段差信号由矩形波导的TE₁₀模转换为微带线的准TEM模，并输出给Ka频段0/π调制器；

第二波导微带转换模块：将天线传来的Ka频段和信号由矩形波导的TE₁₀模转换为微带线的准TEM模，输出给Ka频段微带合路器；

Ka频段0/π调制器：将Ka频段差信号在两段电长度相差180°的微带线上交替传输，实现差信号的相位调制，并将调制后的Ka频段差信号输出给Ka频段微带合路器；

Ka频段微带合路器：完成Ka频段和、差两路信号的合并，实现Ka频段和、差信号的单通道传输。

2.根据权利要求1所述的一种小型化Ka频段单通道调制器，其特征在于：所述Ka频段0/π调制器包括0°微带传输线、180°微带传输线、单刀双掷开关芯片S1、单刀双掷开关芯片S2、电容C1、电容C6、第一偏置电路、第二偏置电路、第一调制控制电路以及第二调制控制电路；

单刀双掷开关芯片S1的动端通过电容C1与第一波导微带转换模块输出的Ka频段差信号连接，单刀双掷开关芯片S1的一个不动端通过0°微带传输线与单刀双掷开关芯片S2的一个不动端连接，单刀双掷开关芯片S1的另一个不动端通过180°微带传输线与单刀双掷开关芯片S2的另一个不动端连接；单刀双掷开关芯片S2的动端与电容C6的一端连接，电容C6的另一端用于输出相位调整后的Ka频段差信号；

单刀双掷开关芯片S1的动端连接有第一偏置电路，单刀双掷开关芯片S2的动端连接有第二偏置电路，180°微带传输线通过第一调制控制电路与外部电源Vcc连接，0°微带传输线通过第二调制控制电路与外部电源Vee连接，Vcc和Vee为等幅反向的方波信号；

所述第一偏置电路包括电阻R1、电容C2和电感L1，电感L1的一端与单刀双掷开关芯片S1的动端连接，电感L1的另一端同时与电阻R1的一端以及电容C2的一端连接，电阻R1的另一端以及电容C2的另一端均接地；

第二偏置电路包括电阻R4、电容C5以及电感L4，电感L4的一端与单刀双掷开关芯片S2的动端连接，电感L4的另一端同时与电阻R4的一端以及电容C5的一端连接，电阻R4的另一端以及电容C5的另一端均接地；

第一调制控制电路包括电阻R3、电容C4以及电感L3，电感L3的一端与180°微带传输线连接，电感L3的另一端同时与电容C4的一端以及电阻R3的一端连接，电容C4的另一端接地，电阻R3的另一端连接外部电源Vcc；

第二调制控制电路包括电容C3、电阻R2以及电感L2，电感L2的一端与0°微带传输线连接，电感L2的另一端同时与电容C3的一端以及电阻R2的一端连接，电容C3的另一端接地，电阻R2的另一端连接外部电源Vee。

3.根据权利要求1所述的一种小型化Ka频段单通道调制器，其特征在于：所述第一波导微带转换模块和第二波导微带转换模块结构相同，均包括金属壳体(1)、金属圆柱体(2)、玻珠(3)以及微带线(4)；金属壳体(1)内部形成波导腔体，顶部开有通孔，玻珠(3)由铜针、套在铜针外围的玻璃介质以及套在玻璃介质外围的导体组成，所述铜针、玻璃介质以及导体同轴，玻璃介质和导体的高度与金属壳体(1)的顶部通孔深度相同；

玻珠(3)铜针一端焊接有一个金属圆柱体(2)，玻珠(3)穿过金属壳体(1)顶部通孔，所述金属圆柱体(2)插入波导腔体宽边中心位置，玻璃介质和导体位于金属壳体(1)中，且玻珠(3)的导体和金属壳体(1)焊接连接；微带线(4)位于金属壳体(1)外壁上，玻珠(3)铜针另一端穿过微带线(4)，且与微带线(4)焊接连接。

4.根据权利要求1所述的一种小型化Ka频段单通道调制器，其特征在于：所述Ka频段微带合路器中分支线的长度L＝λ_g/4，λ_g为与Ka频段和信号或差信号频率相对应的导波波长；分支线宽度W的计算公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}W=\frac{2h}{\mathrm{\π}}\left\{B-1-\ln \left(2B-1\right)+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r-1}{2{\mathrm{\ϵ}}_r}\[\ln \left(B-1\right)+0.39-\frac{0.61}{{\mathrm{\ϵ}}_r}\]\right\}\\ B=\frac{Z_f\mathrm{\π}}{2Z_1\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}\\ Z_f=\sqrt{{\mathrm{\μ}}_0/{\mathrm{\ϵ}}_0}=376.8\mathrm{\Ω}\end{array}\right.$

其中h为分支线介质基板的厚度；ε_r为分支线介质基板的相对介电常数；Z_f为自由空间波阻抗；Z₁为分支线的特征阻抗，μ₀为自由空间的磁导率，ε₀为自由空间的介电常数。